激光玻璃與激光陶瓷

1、1激光玻璃激光陶瓷2目錄激光玻璃是一種以玻璃為基質(zhì)的固體因?yàn)樵摌悠吩诙滩▍^(qū)的透過(guò)率不高激光透明陶瓷是在近年來(lái)蓬勃.近日，上海大學(xué)材料學(xué).3激光玻璃激光玻璃是一種以玻璃為基質(zhì)的固體激光材料。它廣泛應(yīng)用于各類(lèi)型固體激光光器中，并成為高功率和高能量激光器的主要激光材料。 激光玻璃由基質(zhì)玻璃和激活離子兩部分組成。激光玻璃各種物理化學(xué)性質(zhì)主要由基質(zhì)玻璃決定，而它的光譜性質(zhì)則主要由激活離子決定。但是基質(zhì)玻璃與激活離子彼此間互相作用，所以激活離子對(duì)激光玻璃的物理化學(xué)性質(zhì)有一定的影響，而基質(zhì)玻璃對(duì)它的光譜性質(zhì)的影響有時(shí)還是相當(dāng)重要的。4早在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家已經(jīng)提出高純各向同性的致密陶瓷具有與單晶相當(dāng)?shù)?/p>

2、光學(xué)性質(zhì)。1966年，E. Carnall等采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了光學(xué)透明的Dy:CaF2陶瓷，并且在液氮溫度下實(shí)現(xiàn)了激光振蕩，其激光閾值與單晶相似。1972年，R. C. Anderson等開(kāi)發(fā)出了NDY (Nd doped Yttralox)陶瓷激光器。隨后的兩年中，C. Greskovich等用傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)方法制備了更高質(zhì)量的NDY透明陶瓷，其激光閾值和斜率效率與當(dāng)時(shí)的釹玻璃相近。在隨后的20余年中，陶瓷激光材料并沒(méi)有受到關(guān)注，因?yàn)槠湫阅懿患皢尉Ш筒ＡЩ|(zhì)材料。在早期的Nd:YAG透明陶瓷樣品中，缺陷濃度高（特別是微氣孔），在短波區(qū)有很強(qiáng)的散射損耗。這樣也就不難理解為何Nd:YAG

3、透明陶瓷在激光振蕩區(qū)(1064nm處)有很高的透過(guò)率，但仍未能實(shí)現(xiàn)激光輸出。5激光玻璃發(fā)展因?yàn)樵摌悠吩诙滩▍^(qū)的透過(guò)率不高，光吸收系數(shù)較大，亦即存在一定濃度的光散射中心，導(dǎo)致光學(xué)諧振腔損耗增加，并使各模式相互耦合產(chǎn)生新的本征模式，從而提高激光振蕩閾值、降低斜率效率，以及增加光束的發(fā)散度。但在優(yōu)質(zhì)的光學(xué)晶體中，由于缺陷濃度低，由散射引起的總吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化不明顯。1995年，激光透明陶瓷才取得突破性的進(jìn)展，日本學(xué)者A. Ikesue等采用固相反應(yīng)法制備出了高質(zhì)量的Nd:YAG透明陶瓷，其折射率、熱導(dǎo)率、硬度等物理性能與Nd:YAG單晶相似。同時(shí)他們研制出世界上第一臺(tái)Nd:YAG陶瓷激光器，用輸

4、出功率為600mW，輸出波長(zhǎng)為808nm的LD，采用端面泵浦技術(shù)泵浦1.1at%Nd:YAG透明陶瓷，其激光閾值僅比單晶稍高，斜率效率為28%，激光最大輸出功率為70mW。隨后A. Ikesue的研究小組系統(tǒng)地研究了釹離子濃度對(duì)Nd:YAG透明陶瓷光學(xué)性能的影響、Nd:YAG激光透明陶瓷中的散射中心以及Nd:YAG透明陶瓷中氣孔體積對(duì)激光性能的影響。6激光玻璃發(fā)展隨后A. Ikesue的研究小組系統(tǒng)地研究了釹離子濃度對(duì)Nd:YAG透明陶瓷光學(xué)性能的影響、Nd:YAG激光透明陶瓷中的散射中心以及Nd:YAG透明陶瓷中氣孔體積對(duì)激光性能的影響。1999年，日本神島化學(xué)公司T. Yanagitani

5、的研究小組采用納米技術(shù)和真空燒結(jié)方法制備了高質(zhì)量的Nd:YAG透明陶瓷，其吸收、發(fā)射和熒光壽命等光學(xué)特性與單晶幾乎一致。2000年，神島化學(xué)公司和日本電氣通信大學(xué)的K. Ueda的研究小組一起首次用這種方法實(shí)現(xiàn)了高效激光輸出?；谶@一技術(shù)，日本的神島化學(xué)公司、日本電氣通信大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院的晶體研究所等聯(lián)合開(kāi)發(fā)出一系列二極管泵浦的高功率和高效率固體激光器，激光輸出功率從31W提高到72W、88W和1.46 KW，光7激光透明陶瓷是在近年來(lái)蓬勃發(fā)展起來(lái)的新型激光材料，目前，市場(chǎng)上激光材料以Nd:YAG單晶和釹玻璃為主。透明陶瓷作為激光材料，和單晶比：具有摻雜濃度高、摻雜均勻性好、燒結(jié)溫度低、周期

6、短、成本低、質(zhì)量可控性強(qiáng)、尺寸大、形狀自由度大、可以實(shí)現(xiàn)多層、多功能激光器；和玻璃比：?jiǎn)紊院?、結(jié)構(gòu)組成更為理想、熱導(dǎo)率高、可承受的輻射功率高。自1995年日本科學(xué)家A.Ikesue制備出高透明的Nd:YAG陶瓷，并首次實(shí)現(xiàn)激光輸出后。激光透明陶瓷正以迅猛的勢(shì)頭向占據(jù)激光晶體首席長(zhǎng)達(dá)40年之久的Nd:YAG單晶發(fā)出強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。成為國(guó)內(nèi)外激光材料研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。世界上其他國(guó)家也投入了大量的人力、物力和財(cái)力去開(kāi)展這一項(xiàng)研究工作。我國(guó)也在YAG和Y2O3的粉體和透明陶瓷的研究方面取得了初步的成果。實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)激光陶瓷體系、并實(shí)現(xiàn)激光輸出是當(dāng)前主要目標(biāo)。激光陶瓷概念激光陶瓷概念8激光

7、陶瓷發(fā)展近日，上海大學(xué)材料學(xué)院的楊秋紅教授課題組，在中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所徐軍研究員指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)2年多的、上百次試驗(yàn)，成功制備了高質(zhì)量的Yb氧化鑭釔透明陶瓷，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了摻Y(jié)b氧化鑭釔透明陶瓷的激光輸出。測(cè)試樣品尺寸為331.8mm3，雙面拋光、未鍍膜，1080nm連續(xù)輸出功率為500mW，斜率效率為13%。成為繼美國(guó)，日本等發(fā)達(dá)國(guó)家之后，又一個(gè)在激光透明陶瓷領(lǐng)域擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、同時(shí)掌握其制備工藝并成功實(shí)現(xiàn)激光輸出的國(guó)家。課題組采用高純商業(yè)納米粉為原料，通過(guò)預(yù)處理、球磨、干燥，在16001700度還原條件下保溫20小時(shí)以上，燒結(jié)成致密的、具有高光學(xué)質(zhì)量的Yb氧化鑭釔透明陶瓷。研制的Yb氧化鑭釔透明陶瓷（3.5mm厚）在激光工作波段1080nm的直線(xiàn)透過(guò)率高達(dá)81%，材料的吸收光譜、發(fā)射光譜與日本的Yb:Y2O3透明陶瓷基本相同，熒光壽命則提高40%以上。9激光陶瓷發(fā)展氧化釔屬立方晶系，無(wú)雙折射現(xiàn)象，熱導(dǎo)率高，是YAG的兩倍多，摻入激活離子Nd和Yb的Y2O3晶體是一種優(yōu)異的固體激光介質(zhì)材料。但由于Y2O3的熔點(diǎn)高達(dá)2430度，且在2280度附近會(huì)發(fā)生立方相向六方相的多晶相變，因而難以生長(zhǎng)出大尺寸和高